一种用于铸造厂型砂质量控制的智能系统及控制方法与流程

本发明涉及铸造砂处理技术领域，具体涉及一种用于铸造厂型砂质量控制的智能系统及控制方法。

背景技术：

在铸造砂处理生产线中，型砂质量控制有两个重要指标，一是型砂水分，二是紧实率。型砂水分和紧实率在原材料特征不变的条件下存在线性关系，在一个铸造厂通常具备这样的条件，所以可以调节水分获得紧实率目标值，也可以通过紧实率检测调节水分目标值，主要看那个指标作为最终控制指标。

紧实率是指湿态的型砂混合料在一定紧实力的作用下其体积变化的百分率。

粘土砂也称潮模砂是由石英砂、膨润土和煤粉与水混制而成。膨润土又称蒙脱石，是天然的矿物质，遇水后能膨胀成糊状，有很好的粘结力，体积膨胀到20-30倍，由于其具有很好的吸水膨胀性能和分散性，可替代淀粉作粘结剂，被广泛用在铸造型砂中作粘结剂；水是型砂中润化剂，加水量代表膨润土是否得到充分润化的水。紧实率是代表造型材料的特性，主要体现在型砂的变形能力和对造型质量的影响，型砂控制的基本任务之一就是控制型砂的湿润，型砂湿润控制不当是导致铸件产生缺陷的主要原因之一，它使铸件内容缺陷产生，降低尺寸精度甚至使铸件报废。

现在的型砂质量控制应用中大量使用紧实率检测来控制水分，就是借助紧实率与水分的线性关系。方法是先直接设定个初加水量，因为大多铸造厂没有砂水分检测，只有进口的设备上才有如德国的erich公司，在混砂机上设置一个移动探头，加砂后探头下来检测水分，根据经验设定水分目标值和在混砂机里测量的水分计算加水量，混砂之后卸砂，在卸砂皮带上检测紧实率，如果紧实率合格就被送到造型机，不合格就当废砂放掉，并把紧实率检测值作为参考，调节下碾水分目标值。由于紧实率检测不是混砂机在线检测，实现不了当碾的补水，只能在下一碾进行调整加水量，因此首碾一般都会因紧实率不合格而废掉。而且水分检测在混砂机内完成，必然占用了混制时间，使加水后的混制时间减少或总结拍加长，否则这对水分的混制均匀和膨润土的润化程度都有影响。

混砂机的作用是将加入的水与加入的各种粉料和砂混制均匀，粘结层与砂表面覆膜均匀。水是混制过程中的润滑剂，也是膨润土膨化和产生粘结力的溶剂，一次加水后在节拍内完成混合和覆膜最为理想。如果二次加水，在混制机理上要求二次加水后的混制节拍越长越好，但在线紧实率检测只能在混制节拍一半时间进行，否则检测值不真实，加上实施二次加水剩下的混制时间就剩1/4节拍了，在1/4节拍内将补加水混制均匀是很难达到的。这也取决于补加水的量，如果量很少与铸件质量影响不大，如果补水量大就很难混匀，出现型砂局部含水量大，铸件出现气孔缺陷的问题。如果延长混制节拍会影响混砂机的生产能力。加水的准确性和时间都是影响混砂质量关键。因此如果能实现混砂机一次加水，将可以有效减少上述问题。

从目前国内应用的在线紧实率检测控制下一碾加水很难做到一次补加水即可获得目标紧实率，因为砂的水分是变化，如果砂水分保持恒定，则容易实现。一但砂的水分是变化的，下碾加水量是根据前一碾的砂水分条件计算出来的，如果下碾的来砂水分变了，比如水分已经变大了，还要进行计算量的补水，这时极有可能出现过湿的危险。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种铸造厂型砂质量控制的智能系统，能够实现紧实率在线检测、在线补水，通过系统纠正第一次的加水量，达到不需要补加水的目标。本发明还提供了上述智能系统的控制方法。

本发明通过以下技术方案实现上述目的：

一种用于铸造厂型砂质量控制的智能系统，包括中央plc控制单元和分别与中央plc控制单元连接的在线砂水分检测单元、在线紧实率测试仪、加水系统；中央plc控制单元负责整个系统的执行和紧实率目标值智能控制；

所述在线砂水分检测单元设置在砂称量斗中，用于混制前完成砂水分和温度的检测，检测结果传送至中央plc控制单元；在线砂水分检测单元采用电容法水分测量技术，检测水分精度<+/-0.2％，可实现当碾砂在混制之前完成砂水分和温度的检测；

所述在线紧实率测试仪安装在混砂机旁，用于从混砂机提取砂样进行紧实率检测，优选每次检测不超过20秒，检测结果传送至中央plc控制单元；

所述加水系统通过中央plc控制单元控制向混砂机内加水。

优选的，上述智能系统中，所述加水系统包括主供水管和与主供水管连接并进入混砂机的加水管，所述主供水管上还设置有压力计、过滤器、流量计、气压计和电磁气动角阀。

优选的，上述智能系统中，还包括与中央plc控制单元连接的输入单元和/或上位机。铸造厂每次更换造型模具时，都要对型砂紧实率下达新的指标，我们称为质量目标控制值cp，可以通过输入单元进行人工输入或通过上位机下传到中央plc控制单元，同时下达的还有砂配方和混砂工艺。

本发明提供的以上任一所述智能系统的控制方法，是先在中央plc控制单元设置型砂紧实率目标控制值cp、型砂配方；再将旧砂、新砂和辅料按照配比加入混砂机，混砂机启动开始混砂，同时加水系统向混砂机内加水，该加水量是根据操作人员按照经验设定的一个初始水分目标值加入的(设定一个初始水分目标值)；

混砂到1/2节拍中时，在线紧实率测试仪取样检测，所得紧实率值cp1发送至中央plc控制单元，中央plc控制单元将cp与cp1进行比较，如果cp与cp1的差值cpδ1<+2％，则无需补加水，继续混砂；

在卸砂前，进行在线紧实率测试仪取样检测，所得紧实率值cp3，并记录在中央plc控制单元的数据库中.此时当碾设置初始设定的水分目标值就是目标水分值。

另外一种不同情况的控制方法并列方案，是先在中央plc控制单元设置型砂紧实率目标控制值cp、型砂配方；再将旧砂、新砂和辅料按照配比加入混砂机，混砂机启动开始混砂，同时加水系统向混砂机内加水；

混砂到1/2节拍中时，在线紧实率测试仪取样检测，所得紧实率值cp1发送至中央plc控制单元，中央plc控制单元将cp与cp1进行比较，如果cp与cp1的差值cpδ1＝cp-cp1＞+2％，则进行第一次补加水；

混砂到3/4节拍时，进行第二次在线紧实率测试仪取样检测，所得紧实率值cp2发送至中央plc控制单元，中央plc控制单元将cp与cp2进行比较，如果cp与cp2的差值cpδ2<+2％，则不需要进行第二次补水，继续混砂即可；

在卸砂前最后作第三次紧实率检测，获得cp3并记录在中央plc控制单元的数据库中。

第三种不同情况的控制方法并列方案，先在中央plc控制单元设置型砂紧实率目标控制值cp、型砂配方；再将旧砂、新砂和辅料按照配比加入混砂机，混砂机启动开始混砂，同时加水系统向混砂机内加水；

混砂到1/2节拍中时，在线紧实率测试仪取样检测，所得紧实率值cp1发送至中央plc控制单元，中央plc控制单元将cp与cp1进行比较，如果cp与cp1的差值cpδ1＝cp-cp1＞+2％，则进行第一次补加水；

混砂到3/4节拍时，进行第二次在线紧实率测试仪取样检测，所得紧实率值cp2发送至中央plc控制单元，中央plc控制单元将cp与cp2进行比较，如果cp与cp2的差值cpδ2＝cp-cp2>+2％，则控制加水系统进行第二次补水；

在卸砂前，进行在线紧实率测试仪取样检测，所得紧实率值cp3，如果cp3<+/2％则合格；如果cp3>+/2％则为废砂，报警。

优选的，上述各控制方法中，开始混砂的同时加水系统向混砂机内加水至1/2节拍时，总加水量ws＝(ms-mo)*q+wt；

其中，ms是设定的初始水分目标值，mo是称量斗中砂的水分检测值，q为当碾加砂量，wt为称量斗中砂的温度检测值对应的蒸发水量，wt值预设在中央plc控制单元中。

优选的，上述控制方法中，一次补水量的计算方法如下：

(1)紧实率目标值(即紧实率目标控制值)与初始水分目标值比率ro＝cp/mo；

(2)第一次检测紧实率值与目标值差cpδ1＝cp-cp1；

(3)水分差值mδ1＝cpδ1/ro＝(cp-cp1)/ro＝mo-m1；

(4)第一次补水量w1＝(mo-m1)*q＝cpδ1/ro*q。

优选的，上述控制方法中，第二次补水量的计算方法如下：

(1)紧实率目标控制值与初始水分目标值比率r1＝cp2/m2＝cpδ2/mδ2；

(2)第二次检测紧实率值与目标值差cpδ2＝cp-cp2；

(3)水分差值mδ2＝cpδ2/r1＝(cp-cp2)/r1；

(4)第二次补水量w2＝cpδ2/r1*q。

优选的，上述控制方法中，在卸砂前所得紧实率值cp3，当碾进行过一次补水，两次加水量w＝ws+w1，卸砂前型砂水分值m1＝w/q，将水分值m1传送至中央plc控制单元作为下一碾目标水分值设置。

优选的，上述控制方法中，在卸砂前所得紧实率值cp3，当碾进行过二次补水，三次加水量w＝ws+w1+w2，卸砂前型砂水分值m3＝w/q，将水分值m3传送至中央plc控制单元作为下一碾目标水分值设置。

优选的，上述控制方法中，初始水分目标值ms在3％-3.5％之间，避免出现过湿。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

该智能系统的特点是以紧实率为控制目标智能控制系统，通过紧实率在线检测、在线补水，克服了砂水分含量的未知条件的影响，系统最终实现系统自动纠偏水分目标设定值，在首碾通过最多两次补水达到紧实率的目标值，没有废砂。而且从第二碾开始就不用补水或可能补少量的水。这与现在国内采用的每碾都靠二次和三次补水才能达到紧实率合格的最大区别，国内目前常见的每年都要进行最少一次的补水。

智能系统中还可以在中央plc控制单元设定一个新配方的初始检测程序，将上述程序通知混砂机，由系统自动完成当碾补加水，获得合格的紧实率目标值，并在后续的混碾中实现零补水或少补水的宗旨。

本系统全部采用数字化控制，可以使我国的砂处理的控制水平达到国际最先进，对铸件的质量控制达到智能化和数字化水平，推动我国铸造技术上一个新的台阶，对国产铸造设备进入国际市场起到核心技术的支持。

本系统具有巨大的潜在市场，我国每年砂处理线销售在200条以上，对高档客户必须配置型砂的检测系统，未来随着国内铸造行业的升级，对智能化、数字化的需求会进入新的阶段，我们目前在国内是该系统唯一的制造商，每年可销售100套以上，按照市场定位30万/套，年收入在3000万元，具有客观的经济价值。

附图说明

图1为用于铸造厂型砂质量控制的智能系统的整体结构示意图。

图中：

1-中央plc控制单元，2-带数据库的ipc，3-紧实率检测(spciii)带取砂器和预处理单元，4-湿度测量传感器，5-测量发生器，6-温度测量传感器，7-水定量单元df1010，8-加水阀。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或相应的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

实施例1

参见图1，为一种用在铸造厂型砂质量控制的智能系统，包括在线砂水分检测单元、在线紧实率测试仪、加水系统和中央plc控制单元1组成。

在线砂水分检测单元包括测量发生器5和与其连接的湿度检测传感器4，湿度检测传感器4和温度测量传感器6设置在砂称量斗中，采用电容法水分测量技术，检测水分精度<+/-0.2％，可实现当碾砂在混制之前完成砂水分的检测，并将数值给到中央plc控制单元1。单元与带数据库的ipc2通讯用于工厂的mes系统应用。

在线紧实率测试仪安装在混砂机旁(图中3)，随时从混砂机提取砂样进行紧实率检测并将数值发送到中央plc控制单元1.

加水系统包括主供水管、压力计、过滤器、流量计(即图中的水定量单元df10107)、气压计、电磁气动角阀(即图中的加水阀8)和进入混砂机的加水管。

中央plc控制单元1负责整个系统的执行和紧实率目标值智能控制。中央plc控制单元1通过tcp/it连接于上位机带数据库的ipc2，ipc2还可通过互联网进行远程诊断。

该智能系统对于型砂的质量控制方法：

1、新配方型砂的首碾初加水计算：

先在中央plc控制单元设置型砂紧实率目标控制值cp、型砂配方，在控制单元op上设定一个初始水分目标值(ms)，中央plc控制单元计算首碾初加水量ws。

计算公式ws＝(ms-mo)*q+wt，

ms是设定的初始水分目标值，在3％-3.5％选择，mo是称量斗中砂的水分检测值，ms-mo是水分值之差；

q为当碾加砂量，

wt为检测温度值对应的蒸发水量，已经在中央plc控制单元系统软件里。

蒸发水量是自己总结的经验值，70-60℃用1.2％，60-50℃用0.7％。

通过砂称量斗和定量螺旋给料机将旧砂、新砂和辅料按照配比加入混砂机，加砂后混砂机开始启动，同时开始加水，混到1/2节拍时，在线紧实率测试仪从混砂机中取样检测，将检测的紧实率值cp1发送到中央plc控制单元，经与紧实率目标设定值cp比较出现差值cpδ＝cp-cp1>+2％，进行第一次补加水。

2、第一次补加水计算公式：

①紧实率目标值与初始水分目标值比率ro＝cp/mo；

②第一次检测紧实率值与目标值差cpδ1＝cp-cp1；

③水分差值mδ1＝cpδ1/ro＝(cp-cp1)/ro＝mo-m1；

④补水量w1＝(mo-m1)*q＝cpδ1/ro*q，加水系统执行第一次补水并继续混制到3/4节拍时间，进行第二次紧实率检测，获得检测紧实率cp2，与cp比较。

3、第二次紧实率值的判断和下一碾水分目标值的生成：

①如果cpδ2＝cp-cp2<+2％，不再进行补水，继续混砂，在卸砂前最后作第三次紧实率检测，获得cp3。此时当碾两次加水量w＝ws+w1，此时的型砂水分值m2＝w/q，将此值送到中央plc控制单元作为下一碾目标水分值设置。

②如果cpδ2＝cp-cp2>+2％，再进行第二次补水

4、第二次补水量计算：

①紧实率目标值与初始水分目标值比率r1＝cp2/m2＝cpδ2/mδ2；

②第二次检测紧实率值与目标值差cpδ2＝cp-cp2；

③水分差值mδ2＝cpδ2/r1＝(cp-cp2)/r1；

④补水量w2＝cpδ2/r1*q；

执行加水并继续混砂到结束，在卸砂前最后作第三次紧实率检测，获得cp3。

5、二次紧实率值的判断下一碾水分目标值的生成：

如果cp3<+/2％，则混合的型砂合格；

如果cp3>+/2％，则混合的型砂不合格，为废砂，系统报警。

此时当碾进行过二次加水，总量w＝ws+w1，此时的型砂水分值m2＝w/q，将此值送到中央控制单元作为下一碾目标水分值设定。

此时当碾进行过三次加水，总量w＝ws+w1+w2，此时的型砂水分值m3＝w/q，将此值送到中央控制单元作为下一碾目标水分值设定。

6、系统中一个对新配方的初始检测程序，将上述程序通知混砂机，由系统自动完成当碾补加水，获得合格的紧实率目标值，并在后续的混碾中实现零补水或少补水的宗旨。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。